Design and optimization of a LV H160 permanent magnet assisted synchronous reluctance motor, according to IEC standards

GOALS In-depth analysis of knowledges that concern rotating electric machines and actual problems related to their realization; acquisition of new knowledges related to the study, realization and applications of “special” electric machines, the Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance (PMASR) motors; acquisition of new competences regarding the design and the optimization of PMASR motors, resorting to texts and technical documents about these themes, and the utilization of specific calculation softwares; writing of a theoretical and practical comparison between the new PMASR technology and the traditional induction one; verification of the great properties that the PMASR motor can offer; realization and testing of a PMASR actual prototype. MATERIAL AND METHODS The material utilized for the acquisition of knowledges and the execution of work consists in several educational texts that regard themes related to preliminary knowledges and/or PMASR technology, confidencial technical documents owned by ABB and other texts tracked independently and that regard the realization of electric machines. As regards the methods utilized, the work is principally based on simulations and analysis done by means of specific softwares and tools exploited for the study of electric machines, a few of those are used also by ABB employees and not commercialized. In References it’s possible to find all the titles of referencial texts utilized in the dissertation and also softwares and tools employed in the project. RESULTS In the first part of this dissertation we show the results obtained by means of finite element 2D transient simulations carried out on the ABB H160 induction motor and on a preliminary configuration of the PMASR one, and in this condition we demonstrate the clear supremacy of the second motor on the first in terms of performances, efficiency and power factor in particular. In the second part of the thesis we work on the design of rotoric section, with the realization of a final “manual” rotoric design (obtained through several adjustements studied and implemented by the user, not by software) that results from it; after that, we deal with an optimization calculation, based on optimizing genetic algorithms, with the resulting realization of a final optimized design of rotor and a confirmation of the goodness of performances of PMASR motor if compared with the induction motor ones. APPLICATIONS All the work described in this document has a practical achievement in the ABB R&D projects, in particular in the work of the “SMO Team”, a team that deals with the study and the realization of “special” machines prototypes, in which group the PMASR motors are included. The H160 PMASR motor prototype, that is topic of the study, is planned to determine a general improvement of performances in respect to the induction motor (efficiency, power factor in particular), but in general it represents a valid research work, it will be produced and tested by the above-mentioned team and, according to the needs of eventual interested clients, the design will be modified and adapted to specific requests. Today’s main applications of this kind of technology are: ventilation, vacuum pumping, lift application, etc.

OBIETTIVI Approfondimento delle conoscenze riguardanti le macchine elettriche rotanti e i problemi concreti relativi alla loro realizzazione; acquisizione di nuove conoscenze legate allo studio, la realizzazione e le applicazioni di macchine elettriche “speciali”, i motori sincroni a riluttanza assistita da magneti permanenti (PMASR); acquisizione di nuove competenze riguardanti il design e l’ottimizzazione di tali motori PMASR, tramite l’approfondimento su testi e documenti tecnici del settore e l’utilizzo di specifici software di calcolo; redazione di un confronto teorico ed anche concreto della nuova tecnologia PMASR con la tradizionale tecnologia del motore a induzione; dimostrazione delle grandi qualità e performance offerte dal motore PMASR. MATERIALE E METODI Il materiale utilizzato per l’acquisizione delle conoscenze e l’esecuzione del lavoro consiste in alcuni testi didattici riguardanti argomenti legati a conoscenze preliminari dell’argomento o agli stessi motori PMASR, documenti tecnici riservati di ABB e altri testi rintracciati autonomamente e riguardanti argomenti di carattere realizzativo delle macchine. Per quanto concerne i metodi utilizzati, il lavoro si è basato prevalentemente su simulazioni ed analisi fatte al computer, grazie all’utilizzo di software e tools specifici del settore delle macchine elettriche, alcuni dei quali interni ad ABB e dunque non commercializzati. Nella Bibliografia sono presentati i titoli dei testi di referimento utilizzati e i software e tools di lavoro. RISULTATI Nella prima parte dell’elaborato si sono mostrati i risultati ottenuti dalle simulazioni a elementi finiti 2D transient effettuate sul modello relativo al motore a induzione H160 di ABB e su quello del motore PMASR H160 in fase di design preliminare, mostrando in questa condizione la superiorità netta del secondo rispetto al primo in termini di performance, rendimento e fattore di potenza in particolare. Nella seconda parte dell’elaborato si è passati al disegno della sezione rotorica del motore, con conseguente elaborazione di un design rotorico finale di tipo “manuale” (ottenuto tramite aggiustamenti studiati ed implementati dall’utente, non automatizzati), per poi passare ad un calcolo di ottimizzazione che utilizza algoritmi genetici di ottimizzazione, con consequente raggiungimento di un design finale ottimizzato del rotore e di un’ulteriore conferma della bontà delle prestazioni del PMASR rispetto al motore a induzione. APPLICAZIONI Il lavoro descritto nella tesi ha un riscontro pratico all’interno dei progetti di ricerca e sviluppo di ABB, in particolare dello “SMO team”, organo che si occupa dello studio e realizzazione di prototipi di macchine classificate come “speciali”, tra le quali rientrano quelle PMASR; il prototipo di motore PMASR H160 oggetto di questo elaborato è stato progettato a scopo di miglioramento generico delle prestazioni rispetto alla tecnologia a induzione (efficienza, fattore di potenza in particolare) ma rappresenta in generale un valido lavoro di ricerca, sarà prodotto e testato dal suddetto team e, a seconda delle necessità di eventuali clienti interessati, il design potrebbe essere modificato e adattato a specifiche richieste in termini di performance. Principali applicazioni odierne per questo tipo di tecnologia: ventilazione, pompaggio per il vuoto, ascensoristica, ecc.